 |
|
 |
航天員聶海勝在演示懸空打坐。 新華社發(fā)（視頻截圖）
10時04分、05分、06分……中國載人航天史上的第一堂太空授課進入倒計時。10時11分，北京航天飛行控制中心報告，已建立與航天員的雙向通信鏈路。
“我是王亞平，本次授課由我來主講?！彪S著這一句來自天宮的問候，中國首位太空老師王亞平輕輕一躍，向天宮一號艙內(nèi)的攝像機鏡頭緩緩飄來。有史以來內(nèi)容最神奇、教室最高遠、觀眾最龐大的一課，開始了。神十飛天任務(wù)，也隨著神十乘組的太空授課，達到高潮。從十余天前的期盼，到穿著藍色艙內(nèi)工作服的3名航天員亮相，世界第二堂、中國第一堂太空授課會講什么？“地面課堂”北京人大附中的300余名同學(xué)睜大了雙眼，全國8萬余所中學(xué)的6000余萬名師生同步收聽收看。沒等大家平復(fù)興奮的心情，指令長聶海勝先展示起了“絕技”。
“我來個懸空打坐吧!”只見聶海勝輕盈地在半空中盤起了腿，好似有神功?！澳俏襾硪粋€大力神功吧!”王亞平用手指輕輕一推，聶海勝搖晃地飄出很遠，“地面課堂”響起了笑聲和掌聲。
輕松拉開大幕之后，王亞平變起了一出出戲法，圓周運動的單擺、不變軸向的陀螺、晶瑩剔透的水膜、紅撲撲的水球，中國第一堂太空授課在趣味與驚奇中完美展現(xiàn)。
實驗1
打開“箱子”測質(zhì)量
懸空打坐、大力神功，這兩招專屬武林高手們的“功夫”，經(jīng)過3名航天員在太空的演繹，引來了同學(xué)們的陣陣喝彩。航天員表演之后給同學(xué)們提出了疑問：在地面上，人們一般用天平、臺秤等測量物體受到的重力，從而計算物體的質(zhì)量。那么，失重環(huán)境下該如何測質(zhì)量呢？
天宮一號上配備有質(zhì)量測量儀，這個質(zhì)量測量儀就是設(shè)置在天宮一號艙壁的一個支架形狀的裝置，看上去像飛船艙壁上的一個箱子。拉開“箱子”后，聶海勝把自己固定在支架一端，王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架便在彈簧的作用下回復(fù)原位。裝置上的LED屏上顯示出數(shù)字：74.0，這表示聶海勝的實測質(zhì)量是74千克。
在給同學(xué)們解釋了應(yīng)用原理之后，王亞平還給同學(xué)們布置了一道課后思考題：除了運用牛頓第二定律，還有什么辦法可以在失重環(huán)境下測量物體的質(zhì)量呢？
解讀人：地面課堂主持人之一、北京人大附中物理老師宓奇
【解讀】在地面上，彈簧秤提供的彈力跟重力是平衡的，不同質(zhì)量的物體掛在彈簧秤上，彈簧的伸長不一樣，即重量是不一樣的。在太空，因為微重力環(huán)境，兩個不同質(zhì)量的物體在彈簧秤上，兩個彈簧指標是平齊的。因為沒有重量的概念，彈簧秤就沒有讀數(shù)。
天宮一號里的“質(zhì)量測量儀”，運用了牛頓第二定律，即物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，這一定律在太空和地面都是成立的。
據(jù)了解，這個原理在航天活動中比較常用。例如，航天器在運行中會耗損，質(zhì)量會發(fā)生變化，就影響軌道控制的精確度。這時，可開啟推力器，并同時測量航天器的加速度，從而準確掌握航天器的質(zhì)量。
實驗2
神奇單擺做圓周運動
物理課上常見的實驗裝置單擺受力后是左右搖擺還是圓周運動？這個稍有物理常識的人都很容易回答的問題，放在太空就變得超乎想象了。
在第二個實驗中，T形支架上，細繩拴著一顆明黃色的小鋼球，這就是物理課上常見的單擺。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手，小球并沒有出現(xiàn)地面上常見的往復(fù)擺動，而是停在了半空中,拴小球的細線呈彎曲狀靜止，將其拉高后，結(jié)果并沒有發(fā)生變化。
接下來，王亞平用手指沿切線方向輕推小球，小球就開始繞著T形支架的軸心做圓周運動，即使中心軸的角度發(fā)生改變，小球也仍然做同樣的運動。而同樣的動作在地面對比試驗中，就需要施加足夠的力，給小球一個較大的初速度，才能使它繞軸旋轉(zhuǎn)。
【解讀】小球單擺是一個經(jīng)典的運動模型。在地面上，小球單擺具有等時性，比如擺鐘。在太空中，由于小球失重，只剩下一個繩子的拉力，理論上說，單擺上的小球無論放在哪個位置都不會動，小球會飄浮在空中。
但在實驗中看到，小球提高到一個位置時，發(fā)生了晃動。即在太空中，如果給了小球一點初速度，小球就能在繩子的牽引下做圓周運動，如果摩擦小，這種圓周運動是勻速的。據(jù)了解，太空中的一個小動作，甚至呼吸，天宮一號設(shè)備的運轉(zhuǎn)都可能造成小球運動。
實驗3
陀螺軸向不變向前飛
為了證實高速旋轉(zhuǎn)的陀螺在太空失重條件下的定軸特性，王亞平取出一個紅黃相間的陀螺，把它靜止懸放在空中。用手輕推陀螺頂部，陀螺翻滾著飛向遠處，軸向也發(fā)生了改變，期間，聶海勝也對陀螺進行干擾。
緊接著，王亞平取出一個一模一樣的陀螺，通過道具讓它旋轉(zhuǎn)起來并懸浮在半空中，這時候再用手輕輕一推，旋轉(zhuǎn)的陀螺只是輕晃一下，并不翻滾，而只是保持著固定的軸向，向前飛去。
【解讀】旋轉(zhuǎn)的陀螺體現(xiàn)出很好的定軸性，定軸性遵守角動量守恒原理，即在沒有外力矩作用的情況下，物體的角動量會保持恒定。據(jù)了解，現(xiàn)實生活中有很多體現(xiàn)，比如子彈從槍膛里出來時高速旋轉(zhuǎn)，這樣保持穩(wěn)定性和準確性。不論在太空還是在地球，都遵守角動量守恒原理。
在地面上，陀螺需要支撐物實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，而陀螺與支撐物之間的摩擦產(chǎn)生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動量，使其旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低，不能很好地保持旋轉(zhuǎn)方向，最終停下。在太空中，給靜止的陀螺一個初速度，就會向前翻轉(zhuǎn)。給正在轉(zhuǎn)動的陀螺一個初速度，軸向幾乎不變。
據(jù)了解，利用角動量守恒定律，可以實現(xiàn)衛(wèi)星的定向控制。而有些轎車上，就安裝了測量車身縱向和橫向擺動的陀螺傳感器，可以實現(xiàn)車身穩(wěn)定度的控制。
實驗4
“水膜”內(nèi)嵌入中國結(jié)
在水膜實驗中，王亞平拿起一個飲用水袋，打開止水夾，水并沒有傾瀉而出。輕擠水袋，在飲水管端口形成了一顆晶瑩剔透的水珠，略微抖動水袋，水珠便懸浮在半空中。但是甩出的水珠必須用吸水紙迅速收集起來，避免亂飛影響設(shè)備安全。
接著，她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了一個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂，只是偶爾會甩出幾顆小水滴。隨后，王亞平又往水膜表面貼了一片畫有中國結(jié)圖案的塑料片，水膜依然完好。
【解讀】在地面上，只有經(jīng)過處理的肥皂水等才能表現(xiàn)比較強的張力特性。因為地面上的液體表面張力無法抗衡地球引力的作用。液體的表面張力，使液體表面分子有被拉入內(nèi)部的趨勢，導(dǎo)致表面就像一張繃緊的橡皮膜，是促使液體表面收縮的繃緊的力。
在太空中，表面張力使水膜似橡皮膜圈在金屬環(huán)里，并且比地面上形成的水膜更大、存在時間更長。據(jù)了解，液體表面張力在航天活動中有重要應(yīng)用?？茖W(xué)家們制造了表面張力貯箱，利用表面張力推動液體推進劑流動。
實驗5
普通水變身“魔法水球”
為了進一步證實液體在太空的表面張力，王亞平用金屬圈重新做了一個水膜，然后用飲水袋慢慢向水膜上注水，不一會兒，水膜就變成了一個亮晶晶的大水球，水球中還有一串小氣泡。聶海勝取出一支注射器，抽出水球中的小氣泡。
王亞平用注射器向水球內(nèi)注入空氣，在水球內(nèi)產(chǎn)生了兩個標準的球形氣泡，氣泡既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起，水球也沒有爆裂。緊接著，她又用注射器把少許紅色液體注入水球，紅色液體慢慢擴散開來，透明的水球就變成了粉紅色。
【解讀】航天員向水膜上不斷注入水時，這些水就能夠均勻分布在水膜周圍，逐漸形成水球。
太空中去除了重力對物體形態(tài)的制約，由于分子間的相互作用，液體表面張力很明顯，液體的表面積會縮到最小，就變成了水球。在地面上，由于有密度差，如果注入紅色液體，擴散會有一個總體的趨勢，就像雞尾酒里的層次分明。但在太空中沒有密度差，擴散就比較均勻。
沒看到太空垃圾
人大附中高二年級學(xué)生司紫碩：天上的生活用水可以循環(huán)使用嗎？北師大附中高一年級學(xué)生毛思銳：能看到太空垃圾嗎？
聶海勝：水都是從地面帶來的，短期飛行采用一次性用水更為經(jīng)濟。我國未來的空間站將采用先進的資源再生和循環(huán)利用技術(shù)。
王亞平：飛行中沒有看到太空垃圾，但太空垃圾確實存在。地面科研人員對太空垃圾進行了預(yù)警分析，也對天宮一號采取了相應(yīng)的規(guī)避和防護措施。
沒看到UFO
史家小學(xué)四年級學(xué)生邱甜：您在天上看到的窗外景色與地面有什么不同？星星會閃爍嗎？能看到UFO嗎？
王亞平：我們沒有看到過UFO。由于我們處在大氣層外，沒有大氣的阻擋和干擾，看到的星星格外明亮，但是不會閃爍。同樣，由于沒有大氣對光的散射作用，我們看到的太空不是藍色的，而是深邃的黑色。另外，我們每天可以看到16次日出，因為我們每90分鐘繞地球轉(zhuǎn)一圈。
■ 特寫
甜美笑容“秒殺”億萬網(wǎng)友
彎彎的柳葉眉、清澈的雙眸、甜美的笑容，王亞平昨天的出鏡讓人眼前一亮，網(wǎng)友們感嘆“好漂亮！”航天員張曉光曾說，王亞平是個聰明、可愛的小姑娘，她的太空授課一定會帶給大家驚喜。昨天，王亞平?jīng)]讓大家失望，她用生動趣味的語言和嫻熟的操作手法，讓中國的太空第一課笑聲不斷，驚喜連連。
面對指令長聶海勝的“懸空打坐”，王亞平一招“大力神功”，形象地展示了太空失重環(huán)境下物體運動的奇妙特性?！霸谔罩?，我們個個都是武林高手。”王亞平的話引發(fā)了地面課堂同學(xué)們的歡笑和掌聲?！叭绻娤衫畎自谔鞂m里生活，大概就寫不出‘飛流直下三千尺’的名句了，因為，失重環(huán)境下水不可能飛流直下。”“同學(xué)們，見證奇跡的時刻到了?！泵钫Z連珠后，王亞平從飲水包里擠出一個水珠，水珠懸浮在空中，然后被她一口吃掉，“剛好潤潤嗓子。”
清楚的演示、到位的操作、流暢的表達，讓這位漂亮和具有親和力的太空老師深得學(xué)生們的心。
世界首位太空教師芭芭拉·摩根之前曾告訴王亞平，百忙之余，記得看看窗外美麗的地球。昨天，王亞平在天宮一號給她回信說，飛行期間經(jīng)常會通過舷窗遙望美麗的家園?！敖裉?，我們順利完成了太空授課活動，與億萬中國學(xué)生一起分享了太空的神奇和美妙。我們愿與您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛科學(xué)、探索宇宙的夢想共同努力?！蓖鮼喥皆谛胖姓f。
■ 評價
授課難度高于美國首次太空課
對于此次太空授課，一位授課專家組成員表示，選取“失重”的課題，主要是考慮要跟中學(xué)學(xué)過的有關(guān)知識原理相關(guān)聯(lián)，另外還要安全可靠、體積小、質(zhì)量輕。
2007年8月14日，美國人芭芭拉摩根在國際空間站進行了人類首次太空授課，她通過視頻向?qū)W生展示了在太空運動、喝水等情景。
該專家表示，和芭芭拉摩根進行的太空授課相比，中國航天員的這堂太空授課不僅科技含量更高，難度也更高，“摩根太空授課的內(nèi)容是介紹和演示太空生活，而王亞平授課的內(nèi)容是介紹和演示物理概念，所以后者科技含量較高，難度也較大?！?/p>
他表示，這次授課讓全國學(xué)生及觀眾感受到了一些奇妙的物理現(xiàn)象，“像一個太空魔術(shù)師，對所有公眾都有啟迪作用。”
據(jù)太空授課教案組金聲老師介紹，太空授課計劃一年前就在籌備了，本想神舟九號的時候就進行，但神九升空時間較短，而且主要任務(wù)是對接任務(wù)，所以太空授課計劃最終在神十實現(xiàn)。
據(jù)金聲介紹，從去年9月開始，太空授課教案組就開始廣泛征求各方面意見，確定實驗計劃。呈現(xiàn)出的幾個實驗都是經(jīng)過反復(fù)推敲、精挑細選的，最終確定了演示失重環(huán)境中的力學(xué)原理和液體表面張力，“太空授課的科普意義非常重大，在神十這樣重大的國家項目中，特意安排這樣的課程，可見國家對科普教育的重視?！?/p>
【揭秘】1
什么為天地通話牽線搭橋？
中繼衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，2兆網(wǎng)速保障視頻順暢
為天地對話牽線搭橋的，是被稱為太空數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”的中繼衛(wèi)星。一位多年從事衛(wèi)星導(dǎo)航的專家稱，中繼衛(wèi)星就是中國太空數(shù)據(jù)的“中轉(zhuǎn)站”。
在中繼衛(wèi)星從兩顆變?yōu)槿w后，神舟飛船即使在地球的另一頭，都能與國內(nèi)保持聯(lián)絡(luò)，基本已無盲區(qū)。如今天宮一號與地面的音視頻信號傳送“網(wǎng)速”已經(jīng)能達到2兆左右，比從前要更為順暢。
而這次，據(jù)中央電視臺介紹，首先是把“天宮一號”上的圖像傳送到中繼衛(wèi)星上；第二步是衛(wèi)星把信號傳到地面上的測控站，這樣地面上可以收到來自“天宮一號”的聲音和圖像；第三步，地面測控站將信號傳送到北京飛控中心，后通過電視臺播送給全國各地的觀眾。
而在地面課堂上同學(xué)們提的問題，將通過相反的途徑傳送到天宮一號上。
【揭秘】2
為何挑選這5個實驗？
內(nèi)容經(jīng)典易懂，方案來自專家、學(xué)生和老師
“經(jīng)典、易懂、新穎，有觀賞性和差異性?！痹诒本┤舜蟾街形锢砝蠋熷灯婵磥?，這5個實驗有這些共同點。宓奇也作為“地面課堂”的主持人之一，親身經(jīng)歷了天地對話。
一位參與了實驗計劃設(shè)計的老師稱，這5個實驗經(jīng)過了反復(fù)的方案選擇和討論，航天員也進行了試講。在討論的過程中，專家組了解了學(xué)生們的知識儲備，對哪些問題感興趣。大家會考慮，一個具體的實驗，在太空中是否有可操作性，會帶來哪些問題，產(chǎn)生哪些現(xiàn)象，“這些方案來自老師和學(xué)生，這里有學(xué)生超過老師的情況，也就是說學(xué)生的方案被最終采納?！?/p>
【揭秘】3
用什么器材做實驗？
彈簧秤、陀螺、單擺,教具總重2.9公斤
彈簧秤、陀螺、單擺、金剛?cè)?，在這些教具的協(xié)助下，神奇的現(xiàn)象應(yīng)接不暇。據(jù)太空授課教案組專家介紹，雖然往太空帶物品越輕越好，但這次為了太空授課，帶上天宮一號的“教具”總重量為2.9公斤。
相關(guān)新聞
|
